CC BY
12
УДК 62-501.72
СИСТЕМА МОНИТОРИН ГА СЖИГАН ИЯ ТОПЛ ИВА
А. С. Ишков 1, Е. А. Радиков 2, Р. Р. Шабанов 3, Д. Г. Шилкин 4
1'2'3'4Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1ishkovanton@mail.ru 2 radickov.e@yandex.ru 3 shabanov.ramil58@gmail.com 412зbrokem23god@gmail.com
Аннотация. Рассмотрены проблемы топливной энергетики. На основе анализа параметров качества сжигания топлива предложен способ энергоэкологической оптимизации работы котельных установок, заключающийся в оснащении штатной автоматики котельных газоанализаторами дымовых газов. Рассмотрены методы и средства измерения газового анализа дымовых газов. Проведен расчет технико-экономической эффективности выбора газоанализатора дымовых газов с учетом различных критериев оценивания сложных систем в условиях неопределенности.
Разработаны структурная и функциональная схемы управления процессом сжигания топлива. Предложена математическая модель, которая описывает процесс горения при наличии «экстремального регулятора» в специализированном приложении.
Ключевые слова: энергетика, сжигание топлива, горение, продукты сгорания, котельная установка, характеристики топлива, мониторинг, регулирование процессов горения
Для цитирования: Ишков А. С., Радиков Е. А., Шабанов Р. Р., Шилкин Д. Г. Система мониторинга сжигания топлива // Вестник Пензенского государственного университета. 2023. № 1. С. 77-85.
Введение
Энергетика - основа развития базовых отраслей промышленности, задающих прогресс общественного производства. Базу энергетики составляют различные типы теплоэлектростанций (ТЭС), работающие на органическом горючем.
В ходе процесса сжигания горючих материалов образуются следующие компоненты: летучая зола, частицы недогоревшего пылевидного топлива, сернистый и серный ангидрид, оксиды азота и газообразные продукты неполного сгорания, а при сжигании мазута, кроме того, соединения ванадия, соли натрия, кокс и частицы сажи. В золе некоторых горючих материалов имеются мышьяк, свободный диоксид кремния, свободный оксид кальция. Данные выбросы в атмосферу оказывают негативное влияние на природу в виде кислотных осадков, появления парникового эффекта, приводящего к засухе. Принимая во внимание высокую стоимость горючего и строгие правила по защите окружающей среды от выбросов, задача повышения эффективности и качества сжигания горючего в котельных аппаратах становится исключительно актуальной и важной на данный день.
Целью работы являются анализ путей повышения качества сжигания топлива и разработка системы, обеспечивающей требования по защите окружающей среды от загрязнений.
© Ишков А. С., Радиков Е. А., Шабанов Р. Р., Шилкин Д. Г., 2023
77
Процесс сжигания топлива
Топливом называют горючие вещества, способные при сжигании выделять тепловую энергию.
Отличительный признак горения - процесс, который протекает достаточно быстро и сопровождается активным выделением теплоты, а также сильным повышением температуры. Необходимым условием для начала химической реакции между окислителем и топливом является физическое взаимодействие между молекулами данных веществ, которое реализуется в течение процесса образования горючей смеси и ее воспламенении. Выделяют полное горение, т.е. то, которое происходит без тепловых потерь, и неполное, характеризующееся потерями теплоты. При полном горении происходит образование оксидов - Б02, СО2, Н2О.
Как правило, реальное горение является неполным. Потери с химическим недожогом появляются при химически неполном окислении соединений, содержащих углерод, они сопровождаются процессом образования углеродной окиси СО, а также в том случае, когда определенная доля газообразных веществ удаляется из котла до завершения процессов окисления [1].
К теплотехническим характеристикам горючих веществ относятся показатели, которые характеризуют качество процесса горения, эффективное использование камер сгорания.
Все эти показатели могут быть сведены к некоторому обобщенному экономическому критерию, учитывающему как экономические, так и экологические факторы:
1(а) = тт(дх +
где Ч1 + Ч2 + Чз + - суммарное значение тепловых потерь; д! - значение тепловых потерь с удаляющимися горючими газообразными веществами; д2 - тепловые потери от неполного сгорания горючих веществ; дз- тепловые потери на воздушную тягу; д4 -тепловые потери, выделяющиеся в окружающую среду; С^ - сумма экологических потерь; Q1, Q2 - коэффициенты пересчета потерь в денежный эквивалент.
Таким образом, тепловые потери составляют следующие виды потерь: от удаления газа (92) и потери на тягу (дз). Данные виды потерь зависят от значения коэффициента избытка воздуха (а) в факеле при сжигании топлива. Данный показатель характеризует объем вредных выбросов в окружающую среду1.
Характеристика принципа работы систем сжигания топлива
ТЭС - это совокупность устройств, которые территориально располагаются в специализированных помещениях. Основной функцией котельной установки является использование горючих веществ для выработки тепловой энергии с использованием горячей воды или пара. В состав системы сжигания топлива входят топочное приспособление, котел, устройства для забора воздуха и подачи топлива. Устройство системы сжигания топлива также содержит блоки очистки и химической подготовки жидкости для охлаждения, устройства теплообмена. Широко применяются различные виды насосов исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные, предназначенные для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, которая расходуется у потребителя, и утечек в сетях, питательные, используемые с целью подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие). Также в состав входят баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воз-
1 РД 52.04.59-85. Охрана природы. Атмосфера. Требования к точности контроля промышленных выбросов. URL: http://docs.cntd.ru
душный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовая труба; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности топливного сжигания; тепловой щит или пульт управления.
Система управления котельной установки состоит из двух уровней. Нижний уровень включает в себя устройства локальной автоматики на основе программируемых микропроцессоров, выполняющие блокировку, защиту, регулировку, а также производят измерение параметров. Также сюда часто относят оборудование, предназначение которого заключается в преобразовании, передаче и кодировании информации. Верхний уровень реализован в виде автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора котельной. На мониторе оператора выводятся измерительные и контрольные сведения, которые подаются от технических устройств нижнего уровня. Оператор АРМ управляет работой системы путем ввода команд управления, регулируя процесс сжигания топлива. Также предусмотрен режим самодиагностики оборудования, хранения полученных данных и ряд других функций. Стоит отметить, что, если возникнет необходимость, предприятие может самостоятельно передать всю информацию в автоматизированную систему управления. С целью повышения качества сжигания топлива в современных системах широко используется так называемое параллельное управление. Принцип работы заключается в настройке давления воздуха и топлива, при которой выполняется оптимальное соотношение «воздух - топливо» при номинальной нагрузке. В течение процесса измерения у чувствительных контактов панели происходит соприкосновение с объектом. Датчики, в зависимости от сферы функционального использования, имеют различия не только по типам, но и по видам измеряемых величин. Требуемая точность измерения выступает важным фактором. Погрешность измерения параметров не должна превышать единиц процентов. Для этой цели, как правило, тензодатчик включается в схему моста. В данном случае о действующей силе судят именно по критерию напряжения в мостовой диагонали. На мост подается опорное напряжение от источника постоянного напряжения. Когда на датчик не действует сила, сопротивление всех плеч моста становится равным начальному сопротивлению (Кд). Известно, что в этой ситуации мост является уравновешенным и на мостовом выходе напряжение равняется нулю. При условии, что на датчик оказывает действие сила, его сопротивление меняется на величину 8К. Сигнал разбаланса моста зависит от приложенного усилия. Далее сигнал усиливается и поступает на регистратор, в роли которого используется стрелочный вольтметр. В цифровых датчиках усиленный сигнал разбаланса моста преобразуется в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя и далее подается на микропроцессор. В зависимости от функций цифрового датчика выходной код микропроцессора может поступать на отсчетное устройство (в случае использования цифрового датчика в составе измерительного прибора) или персональный компьютер (в случае использования датчика в составе информационно-измерительной системы).
Разработка структурной схемы системы мониторинга сжигания топлива
Структурная схема включает в себя регуляторы топлива, разрежения газа, уровня воды, воздуха. На регулятор топлива поступают сигналы с датчиков давления (ДД), температуры (ДТ) и перепада давления пара (ДПД). На вход регулятора разрежения газа подается информация с датчиков давления газа и топки, температуры, перепада давления. К регулятору уровня воды подключены выходные сигналы датчиков перепада давления, температуры и давления воды. На вход регулятора воздуха подаются сигналы с датчиков давления воздуха и газа. Все регуляторы имеют исполнительный механизм (ИМ) и нахо-
дятся в постоянной взаимосвязи с центральным пультом управления (ЦПУ). Все результаты измерений отображаются на графическом дисплее (ГД).
Рис. 1. Структурная схема системы мониторинга сжигания топлива
Погрешность измерения параметров не должна превышать единиц процентов. В качестве датчиков давления газа, как правило, применяется тензодатчик, который включается в мостовую схему. Выходное напряжение в мостовой схеме пропорционально значению давления газа. На мост подается опорное напряжение от источника постоянного напряжения. Когда на датчик не действует сила, сопротивление всех плеч моста равняется начальному сопротивлению (Rд). В этом случае мост уравновешен и на выходе моста напряжение равно нулю. Если на датчик действует сила, то его сопротивление меняется на величину 8R. Сигнал разбаланса моста зависит от приложенного усилия. Далее сигнал усиливается и поступает на регистратор, в роли которого используется стрелочный вольтметр. В цифровых датчиках усиленный сигнал разбаланса моста преобразуется в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя и далее подается на микропроцессор. В зависимости от функций цифрового датчика выходной код микропроцессора может поступать на отсчетное устройство (в случае использования цифрового датчика в составе измерительного прибора) или персональный компьютер.
Алгоритм работы системы
Авторы разработали алгоритм системной работы, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Схема алгоритма процесса оптимизации сжигания топлива с учетом концентрации кислорода и оксида углерода
Система производит работу следующим образом. Расход пара выступает задающим параметром (ф пара), который выполняет вычисление значения давления или расхода горючего вещества; значения давления воздуха; величины давления в топочном устройстве; заданных значений концентрации оксида углерода и кислородной концентрации. Определяются эти значения в ходе испытаний котельной установки в условиях функционирования, которые являются эксплуатационными. Затем выполняется проверка правильности функционирования установки для сжигания топлива. В случае если котел работает «вхолостую», то процесс оптимизации параметров не запускается. В обычном режиме работы процесс оптимизации реализуется с учетом концентрации веществ в продуктах сгорания котельной. Осуществляется расчет значения объема оксида углерода в продуктах сгорания. На следующем этапе на основе определенного объема устанавливается значение установки для кислорода. Затем оценивается значение кислородной концентрации в газообразных веществах и вычисляется значение корректирующего воздействия для воздушного регулятора.
Моделирование
Для реализации качественного сжигания топлива необходимо иметь информацию о количестве кислорода, который подается в топочное устройство. Но если в топочное устройство подавать только теоретически заданный объем воздуха, то получить полное сжигание топлива невозможно. При этом опорный элемент продолжает оставаться инертным по отношению к углеводородам и выполняет компенсацию изменений в окружающей среде, которые в определенных случаях определяют значение температуры датчика. Кроме параметров работы котла и конструкции топки, качество процесса сжигания определяется эффективностью подвода воздуха и топлива. Задача управления процессом сжигания топлива, которая рассматривается в этой статье, является задачей оптимизации процессов горения в котельных установках. Решение поставленной задачи нацелено на создание эффективных способов горения топлива и уменьшение загрязнений окружающей среды вредными продуктами сгорания за счет увеличения качества проведения процесса сжигания топлива. Для обеспечения качественного процесса сжигания топлива в топочном устройстве предлагается применять схему алгоритма поиска экстремума статической характеристики инерционного объекта. Для этого предложена схема, которая включает в свой состав экстремальный регулятор (ЭР) и объект управления (рис. 3). В качестве объекта управления рассматривается последовательное соединение линейного инерционного звена с передаточной функцией W(p) и нелинейного звена. В предложенной схеме входным сигналом (х) изображено управляющее воздействие; в виде выходного сигнала (у) показана целевая функция, экстремум которой следует определить.
Также структурная схема содержит выходной сигнал у нелинейного элемента (и) и случайную помеху (е).
Рис. 3. Структурная схема системы управления
Для того, чтобы обеспечить устойчивость предложенной системы, целесообразно применить рекуррентный алгоритм метода наименьших квадратов. Данным методом можно выполнять определение коэффициента передачи экстремального объекта по изменению его входной и выходной величины с последующим поиском нулевого значения данного коэффициента.
Авторами предложен следующий алгоритм процесса регулирования:
1) определение значения входного и выходного напряжения с объекта регулирования;
2) расчет значений коэффициентов модели по методу наименьших квадратов;
3) определение коэффициента передачи объекта;
4) определение управляющего воздействия, благодаря которому коэффициент передачи на основе применения прямых методов поиска нуля функций будет равен нулю.
Для определения степени эффективности предложенного алгоритма была синтезирована математическая модель процесса сжигания с экстремальным регулятором в программе МаШЬаЬ^тиНпк (рис. 4), которая содержит в своем составе инерционный объект второго порядка с характеристикой (рис. 5) и экстремальный регулятор, в котором осуществляется выполнение алгоритма расчета коэффициента передачи и определение нуля данного коэффициента к [2].
Рис. 4. Математическая модель процесса сжигания с экстремальным регулятором
Расход воздуха, м /ч Рис. 5. Зависимость расхода газа от расхода воздуха
Экстремальная характеристика «топливо - воздух» изображена на рис. 6. Для моделирования дрейфа функции преобразования использован блок высокочастотных помех и гармонического низкочастотного воздействия. На рис. 4 изображены следующие показатели: и - скорость воздух (м3/ч); и - расход воздуха в ТЭС (м3/ч); и - величина расхода топлива в ТЭС (м3/ч); у - объем компенсации расхода воздуха (м3/ч ).
На основе применения блока экстремального регулятора определяется значение компенсирующего сигнала (у), в результате обеспечивается оптимальный уровень расхода воздуха и (м3/ч). Благодаря этому кривая процесса горения на рис. 5 переходит в область минимума расхода топлива (в область экстремума).
На рис. 6 изображена фазовая траектория системы экстремального регулирования в пространстве координат нелинейного звена.
855
850
845
2 840
я 835
830
8%оо
III,. о '
к......1______'_______!______1...... <9
\ • о \ \ V / V у о о 0 1
5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 .31..
Расход воздуха /
Рис. 6. График зависимости расхода газа от расхода воздуха
Таким образом, результаты моделирования свидетельствуют о том, что время определения экстремума соответствует значению инерционности объекта, а также фазовая траектория находится в окрестности точки, в которой целевая функция достигает экстремума. В условиях воздействия существенных помех, уровень которого достаточно высок, отклонение системы от точки экстремума не превышает 10 %, что является основанием для подтверждения эффективности данного алгоритма поиска экстремума и обеспечивает снижение уровня расхода горючих веществ на 23 %.
На основе выполненного моделирования получено, что изменение расхода газа от расхода воздуха обладает экстремальным характером. Для создания эффективного процесса сжигания топлива характеристики воздуха и топлива должны соответствовать точке экстремума (минимума расхода топлива). На основе результатов моделирования авторами сделан вывод, что даже несмотря на наличие сильных помех система экстремального регулирования удерживает координаты объекта в области экстремальных значений его целевой функции.
Заключение
Авторами разработана система, которая обеспечивает возможность получать точные и корректные данные о концентрации веществ в дымовых газах для их последующей обработки. Таким образом, введение в систему штатной автоматики газоанализаторов позволяет автоматически корректировать соотношение «топливо-воздух» и тем самым оптимизировать процесс сжигания топлива [3,4].
Кроме того, исследования, проведенные на моделях, показали, что комплексное внедрение алгоритма экстремального регулирования процессов горения и настройка функциональных подсистем теплоэнергетических систем автоматического регулирования могут значительно увеличить энергоэффективность этих объектов.
Результаты работы могут представлять интерес для специалистов по управлению процессами сжигания топлива в котельных установках.
Список литературы
1. Гардинер У. Химия горения. М. : Мир, 1988. 365 с.
2. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы: снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных. М. : Энергоатомиздат, 2016. 409 с.
3. Аманназаров А. А., Шарнопольский А. И. Методы и приборы для определения кислорода (газовый анализ). М. : Химия, 2008. 307 с.
4. Новиков О. Н., Артамонов Д. Г., Шкаровский А. Л. [и др.]. Энергоэкологическая оптимизация сжигания топлива в котлах и печах регулированием соотношения «топливо - воздух» // Промышленная энергетика. 2000. № 5. С. 57-60.
Информация об авторах
Ишков Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет
Радиков Егор Алексеевич, студент, Пензенский государственный университет
Шабанов Рамиль Рафаэлевич, студент, Пензенский государственный университет
Шилкин Денис Григорьевич, студент, Пензенский государственный университет
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
